专利名称：淀粉组合物在造纸中的应用的制作方法
本申请是由美国国民CARGILL，INCORPORATED.作为PCT申请提交的，指定了除US外的所有国家。
本发明的领域本发明涉及改进的淀粉组合物，以及制造和使用所述改进的淀粉组合物的方法。尤其，该发明涉及用于造纸过程的淀粉组合物，以及制备、处理和在纸类产品的制造过程中使用该淀粉组合物的方法。
背景很多的纸类产品是从纤维制造的。这些产品常常从含有来源于各种植物来源的改性纤维素纤维的含水淤浆制得。该淤浆是在造纸机器的湿端形成的，其中纸纤维形成为稀释的水淤浆并在分配到造纸机流水线中之前与各种原料混合。随后以控制的方式从淤浆中除去水而形成纸幅，它被加热和干燥以制造出成品纸类产品。
添加剂被引入到淤浆中以改善该造纸过程，和改进该饰成品纸的美观性和功能性。这些添加剂能够包括在造纸过程的湿端过程中引入的淀粉组合物以改进排水性和保留率，增加强度，和改进纸张的形成性能。淀粉组合物能够提高油墨渗透时间，减少印刷墨水的横向散开，和改进图像形成和对比度。淀粉组合物还可以提高纸的表面完整性，因此降低了在应用如打印和复印中的纸张起毛。
能够引入到纸中的其它成分是微粒，包括专用粘土，硅石，和其它功能微粒。这些微粒常常在造纸机的湿端过程中添加。取决于所制造的纸的类型，以及淤浆的特性，能够添加各种不同的微粒。在造纸过程中使用微粒的一个挑战是在形成纸张时微粒并不全部保留在纸幅上。没有保留的该微粒常常以排放而终结，带来了附加的费用，因为该颗粒没有被利用。因此，希望改善颗粒保留率。
排水性，或脱水能力，是在纸张的制造中的另一个重要因素，因为它涉及造纸机多快地从纸幅中除去水。典型地，改进的脱水对应于在造纸机上的较高速度和纸张的较高生产率。纸张制造商常常寻求以经济上可能的最大速度将全部纤维和颗粒物保留在滤网上，而不牺牲产品质量。然而，纸张制造商在尝试保持产品质量时常常遇到排水性限制和因此具有更高的排水值，以使得能够以高速度和高质量制造纸张。
虽然纸成分的制造商和供应商认识到，高的保留率和排水性是所希望的，但是，在制造一致性、高质量的纸张时的重要挑战是造纸体系不全部一样并能够显示出较大的变化。这一变化是在纸张配料中的各成分的变化以及在造纸设备中的可变性的结果。这些变化使得很难以高速度生产出高质量纸，归因于在颗粒保留率和排水性上的变化。
目前，被加入到造纸淤浆中的大部分成分能够优化以供在特定条件下使用。这对于例如被加入到造纸过程的湿端中的淀粉组合物是如此。不幸地，在大多数造纸设备中的条件将随着时间的推移根据成分和系统的变化而改变。因此，现在需要作一些改进，以使得在一定范围的造纸条件中有令人满意的排水性和颗粒保留率。
发明的概述本发明涉及淀粉，例如阳离子交联淀粉，和涉及这些淀粉在造纸中的使用。更具体地说，本发明涉及淀粉和它在造纸机的湿端处理中的使用。本发明的实施特别适合于为特定的湿端系统定制淀粉性能，和允许对淀粉性能加以改性，以响应在造纸机器的湿端中的变化。
也能够在生产过程中通过调节在造纸过程中的淀粉功能来改性淀粉。通过选择性地改变淀粉的交联水平，含有淀粉的纸配料的排水性和保留性能会改变，这使得淀粉性能能够定制以便根据使用它的纸配料的特性来提供改进的性能。
此外还能够就在造纸机的湿端中使用之前调节淀粉性能，以便定制淀粉以适应于在造纸机中存在的特定条件。以这种方式，该淀粉能够定型制造以改进排水性和保留率。这些定制，例如，通过改进在加入到湿端之前淀粉组合物被蒸煮的温度，通过改变蒸煮该淀粉的时间长度，通过改变淀粉蒸煮的压力，和/或通过改变在蒸煮之前淀粉的固体含量，来实现。通过调节这些参数，一个一个单独地或一致地，淀粉的性能发生改变并符合各种造纸过程的特定条件。例如，通过在较高或较低温度下蒸煮可改变淀粉性能，和这些改变的性能能够用于改进湿端性能。
本发明的一个实施方案是改进造纸方法的工艺。该工艺包括在添加了淀粉组合物的含水淤浆中提供含有纤维素纤维的造纸配料。该淀粉组合物典型地是交联的阳离子淀粉。该淀粉在被加入到造纸配料中之前在典型地低于330°F，和更典型地180-250°F，和甚至更典型地低于220°F或230°F的蒸煮温度下进行蒸煮。该蒸煮温度典型地是平均蒸煮温度，它对应于在一定时间中从两个或多个温度测量的平均温度。
微粒，包括纳米粒子，也可引入到造纸配料中以增强机械性能，如排水性和保留率，并且这些微粒典型地具有低于1.0微米，和更典型地低于0.1微米的平均直径。合适的微粒包括，例如，各种的硅石和粘土。
本发明的阳离子交联淀粉典型地作为湿端添加剂被混入在湿端中具有大约4.0到大约9.0的pH值的纸溢流料(furnish)。纸的通用制造工艺，包括该术语“湿端”，一般性地描述在Pulp & PaperManufacture，III卷，Papermaking and Paperboard Making，R.G.McDonald(编辑)，J.N.Franklin(技术编辑)，McGraw Hill BookCo.，1970。
在特定的实施方案中，该淀粉和方法用于改进造纸配料的脱水。当在造纸过程中该配料被脱水时，评价脱水速率。如果这一脱水速率是不令人满意的，则淀粉的蒸煮温度需要改进以改变脱水性质。蒸煮温度的改进应该足以在造纸配料的脱水或第一遍通过保留率中提供改进。典型地，温度的改进的量是大于1°F，和更典型地至少5°F。在特定的实施方案中，该量是5到10°F。在某些实施方案，该改进是至少大约10°F。该温度在某些实施方案中提高，和在其它实施方案中下降，这取决于在蒸煮温度的改进之前的脱水或排水性能。
有时需要通过温度的反复变化和然后纸张性能的评价，来确定温度的合适变化。该反复变化使得配料性能可进行分步骤评价和调节。例如，当脱水性质是不令人满意的或显示劣化时，该温度能够最初被降低一特定温度(例如，5°F)。如果这一(温度)降低显示出了在脱水性能上的改进，则该温度能够维持在这一新温度下。另外地，该温度能够进一步降低以寻求在脱水量上甚至更大的改进。如果这一较低温度改进了脱水性质，则该温度能够维持在这一水平(或进一步降低以寻求甚至更大的改进)。然而，如果这一较低温度没有改进该脱水性质，则该温度能够重新升高回到先前的水平。另外地，该温度能够在中途升高回到先前的水平。
如果最初的降低没有导致脱水性质的改进，则该温度应该典型地升高到该初始温度以上以确定该脱水性质是否改进。如果该脱水性质没有改进，则该温度应该回到初始温度或回到在初始温度和升高温度之中间的温度。如果该脱水性质确实得到改进，则该温度能够维持在提高的温度或再次升高以寻求甚至更高的温度。
以这一方式和类似的那些方式，淀粉进行蒸煮的温度用于改变所生产的淀粉的性能，从而定制这些性能以适合于造纸机的湿端性能。除了通过调节淀粉的蒸煮温度来调节保留率和排水性能，这些性能也能够通过改进淀粉蒸煮压力和通过改变在蒸煮之前淀粉的固体含量来调节。例如，该淀粉典型地在低于100磅/平方英寸的压力下在喷射式蒸煮锅中进行蒸煮；以及淀粉以低于10％的固体含量被加入到喷射式蒸煮锅中。通过改变该压力或固体含量，该淀粉组合物能够定制以适合于添加了淀粉的湿端配料的特定性能。
不仅该温度、压力和固体含量能够独立地改进以改进湿端性能，而且它们可以一起改进以改变淀粉性能。例如，全部三种参数能够变化，该温度和压力能够变化，该温度和固体含量能够变化，或该压力和固体含量能够变化。同时，除排水性和保留率之外，在湿端性能中能够获得其它改进，例如与排水性和保留率的改进一起常常观察到的线速度的改进。
其它的实施方案包括一种调节造纸方法的工艺。该工艺使得有可能调节淀粉组合物蒸煮的温度，以便获得造纸配料的改进的排水或保留性能。该工艺包括在含水淤浆中提供含有纤维素纤维和微粒的造纸配料，和提供淀粉组合物，后者经过配方设计以加入到该造纸配料中。一部分的淀粉组合物在初始温度下蒸煮和然后加入到造纸配料中。该配料随后脱水以形成纤维素纤维纸幅。进行有关含水淤浆的脱水速率或颗粒保留率的分析，和如果该脱水处于不令人满意的速率，则淀粉组合物蒸煮的温度改变到不同的温度，以便改进含水淤浆的脱水速率。
本发明的上述概述不是为了描述本发明的每一个实施方案。这是下面给出的附图和详细说明的目的。
附图的简述在阅读下面的详细说明和参考附图之后，其它方面和优势将变得显而易见
图1是描绘了实施例湿端淀粉的粒度分布的曲线图，其中一种已交联和另一种没有交联。
图2是描绘在各种喷射蒸煮温度下蒸煮的交联阳离子淀粉的平均粒度的曲线图。
图3是描绘实施例湿端添加剂的粒度分布的曲线图。
图4是描绘交联的阳离子淀粉和已在各种温度下蒸煮的非交联的阳离子淀粉的排水性的曲线图。
图5是描绘交联的阳离子淀粉和已在各种温度下蒸煮的非交联的阳离子淀粉的粘度的曲线图。
图6是描绘交联的阳离子淀粉和已在各种温度下蒸煮的非交联的阳离子淀粉的平均粒度的曲线图。
虽然本发明可有各种改变和供选择的其它形式，但是具体的项目是以举例方式给出并且详细描述。然而，应该理解的是不希望将本发明限于所描述的特殊实施方案。相反地，希望覆盖落在由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的全部改进，等同物，和备选物。
详细说明本发明涉及淀粉，包括阳离子交联淀粉，和涉及这些淀粉在造纸中的使用。更具体地说，本发明涉及阳离子化交联淀粉和涉及淀粉在造纸机的湿端系统中的使用。该淀粉经过定制以适应各种湿端条件，并让改进对应于在造纸机的湿端中的各种变化。
根据本发明的一方面，在阳离子化之后交联的阳离子淀粉被加入到在造纸过程中的纸浆或配料中。在添加到造纸机的湿端之前蒸煮该淀粉并且调节蒸煮参数，以便改进湿端配料的性能，如颗粒保留率和配料的排水性。以这一方式，淀粉的性能经过定制，以符合造纸机的湿端的特定条件。
下列详细说明包括特定的淀粉组合物，调节淀粉组合物的性能以符合造纸工艺的条件的一种方法，以及在造纸性能上的改进，其中包括改进的排水性和改进的第一遍通过保留率和微粒保留率。
A.可改性的淀粉组合物在第一方面，本发明涉及适合用于造纸的湿端阶段中的淀粉组合物。本发明的淀粉组合物具有一些性能，使得它们在蒸煮过程中被改进，以改进在造纸工艺过程中的性能。
该淀粉能够选自许多淀粉，其中包括玉米(如蜡质种玉米或马齿种玉米)，马铃薯，高粱，木薯淀粉，小麦，米，等等。该淀粉优选是玉米淀粉，和典型地是马齿种玉米淀粉，和更典型地是阳离子化马齿种玉米淀粉。该淀粉应该具有羟基或另一个官能团以实施交联。下面描述了与交联水平，粘度，取代水平，和粒度有关的附加性能。
该淀粉典型地用交联剂来交联，后者可与淀粉的羟基官能团反应。该交联淀粉使得有更大的粒度范围，与非交联淀粉相比而言。这一粒度范围使得有更大的机会改进湿端性能。没有限于所使用的理论，可以相信，当淀粉粒度紧密地与配料中其它颗粒的粒度相关联时，获得了改进的性能。虽然该淀粉颗粒能够小于纸纤维和大于微粒添加剂，但是认为在各种颗粒物(纤维，淀粉，和微粒)的粒度之间存在相互关系。
现在参见图1，示出了曲线图，它描绘了非交联阳离子马齿种玉米淀粉的粒度分布，与交联的阳离子马齿种玉米淀粉对比。非交联的阳离子的马齿种玉米淀粉具有窄的粒度分布，而交联的阳离子淀粉具有宽的粒度分布。这一较大的分布被认为在湿端配料和淀粉的颗粒物之间发生颗粒-颗粒碰撞的更大可能性，因此导致微粒的提高保留率。
该淀粉用交联剂来进行配方设计，后者能够是多官能团的有机或无机化合物，其中在交联剂上的官能团如环氧基或酸酐基可与淀粉的羟基反应。该淀粉能够用多环氧化合物，如多胺多环氧基树脂，氧氯化磷，1，4-丁二醇二缩水甘油醚，二酸酐，缩醛类，和多官能硅烷来交联。该交联剂还可以是三偏磷酸钠。这些和其它合适的交联剂，和交联方法，被描述在美国专利No 3,790,829；3,391,018；3,361,590，和5,122,231，被引入这里供参考。
淀粉粘度典型地，交联水平大体上与淀粉粘度相关。因此，粘度变化能够部分地通过改变交联水平来实现。交联的量是时间和交联剂类型，以及反应条件的函数，它们全部经过选择以获得在特定范围内的粘度。
该阳离子的交联淀粉典型地被交联到在大约10cps到大约3000cps，典型大约50cps到3000cps，优选大约200cps到大约3000cps的范围内的热糊粘度，该粘度是根据在美国专利No.5,122,231(被引入本文供参考)中教导的方法使用21号芯轴，在95℃和20rpm下，在2.0％淀粉固体下在布氏(Brookfield)粘度计上测得的。
另外地，该淀粉粘度根据在美国专利No.5,368,690中公开的方法通过使用破坏(breakdown)粘度来测量，即使这一方法对于高粘度淀粉的测量是不太精确的。百分破坏(breakdown)粘度典型地是大于85％，和典型地大于90％。在优选的实施方案中该破坏粘度是大于95％。
淀粉取代水平合适的淀粉组合物令人想望地是当溶于水中时带正电荷的阳离子淀粉。该淀粉优选含有季铵离子，它在pH上有增强的灵活性。常常，此类含有季铵的淀粉是通过用合适的醚化剂来醚化羟基而衍生的。该醚化剂具有阳离子的属性，如(3-氯-2羟丙基)三甲基氯化铵，N-(2，3-环氧基丙基)二甲基胺或N-(2，3-环氧基丙基)二丁胺或N-(2，3-环氧基丙基)甲基苯胺的甲基氯季化盐。
这里使用的取代度(DS)被定义为在各脱水葡萄糖单元上羟基的平均数目，该单元已用取代基加以衍生。该DS用作在阳离子化和交联的淀粉上电荷的量度并与在各脱水葡萄糖单元上的羟基上的一价阳离子的平均数有关。取代度一般性描述在STARCHChemistry andTechnology，第二版，R.L.Whister，J.N.Bemiller，和E.F.Paschall编辑，Academic Press，Inc.，1984。该淀粉典型地阳离子化到大于0.005、但不大于0.100的取代度(DS)，更典型地到大约0.030至大约0.070的DS。该淀粉优选具有0.030和0.040的DS。
该淀粉能够通过任何已知的方法阳离子化，如通过它在碱性介质中与叔胺或季铵反应和随后中和，然后根据需要进行洗涤和干燥。将淀粉阳离子化的已知方法已描述于美国专利No 4,146,515(授权于Buikema等人)和4,840,705(授权于Ikeda等人)，两者被引入本文供参考。在本发明的一个方面，通过淀粉与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵在由氢氧化钠提供的碱性介质中反应形成阳离子的(2-羟丙基)三甲基氯化铵淀粉醚来将淀粉阳离子化，其中在淀粉上醚的摩尔取代度(DS)是在0.030至0.040之间。
淀粉粒度本发明的淀粉组合物的优点在于它们能够基于淀粉组合物的性质和淀粉蒸煮的方式(其中包括温度、压力和固体水平)来对粒度加以改进。因此，该粒度能够加以改变，以便在湿端配料成品(finish)中提供最理想的性能。该淀粉粒度能够使用粒度分布分析方法来测定，如使用引入到由Horiba，Inc.制造的尺寸分布分析器(包括LA910尺寸分布分析器)中的米氏散射理论。米氏散射理论没有提供直径的直接测量方法，但表明至少该相对粒度。
现在参见图2，示出了根据本发明制得的淀粉组合物的实例粒度分布。取决于蒸煮温度，对于交联淀粉而言粒度分布显著地变化。在描绘的实例中，随着蒸煮温度从大约190°F变化到265°F，平均粒度会发生变化。在低的蒸煮温度下获得最大尺寸(粒度)。通过改变蒸煮温度，该平均粒度也会变化，使得粒度作周密的定制以适应于添加了淀粉的特定湿端配料。
B.微粒成分微粒也被引入到造纸配料中。该微粒典型地协助排水，和能够用作絮凝剂。合适的微粒包括硅石和粘土。根据本发明，被加入到湿端配料中的微粒的浓度将根据成品纸类产品的所需性能和所获得的保留率来改变。微粒典型地以低于5.0磅/每吨纤维，更典型地低于2.0磅/每吨纤维的浓度添加。
该微粒典型地具有低于1.0微米，和典型地低于0.5微米的平均直径。助滤剂如胶态氧化硅常常具有大约0.1μm的平均直径，填料典型地具有1到50μm，胶乳聚集体具有10到100μm和纤维常常是200μm或更大。
现在参见图3，示出了典型湿端成分的粒度分布，其中包括硅石，二氧化钛，沉淀碳酸钙(PCC)，和白水。正如所表明的，该粒度根据颗粒的类型来改变。硅石具有大约0.10μm的粒度，二氧化钛具有大约0.8μm的平均粒度和0.5-1.0μm的范围。PCC是在大约1.0μm到10μm范围内。白水的范围是从低于1.0μm到10μm。取决于所添加的微粒的量，该淀粉组合物应该调节以优化排水性和颗粒保留率。常常需要调节淀粉粒度，以对应各种的淀粉粒度。这在当微粒尺寸在造纸过程中变化时尤其如此，作为在粒度或浓度上的有意变化，或作为在造纸配料中变化的无意结果。
C.淀粉制备条件本发明让造纸厂家以这样一种方式来蒸煮淀粉组合物，该方式使得淀粉性能(包括粒度和粒度分布)被优化以符合造纸厂家的一般性湿端性能，其中包括在湿端中的颗粒物的粒度和粒度分布。不希望受理论限制，可以相信淀粉组合物的粒度的这一变化与排水和保留的变化相关。当淀粉的粒度适当地与加入到淀粉中的无机和有机(例如纤维，胶乳)的粒度相关时，配料(furnish)获得了增强的排水和保留性能，连同其它性能一道。宽的淀粉粒度范围能够用造纸厂家的淀粉蒸煮器来调控。改变粒度和粒度群体以符合造纸厂家的湿端要求的能力使得具有优异的保留和排水性能。
D.调节淀粉组合物的性能的方法蒸煮温度的改进在第一个实施方案中，该淀粉性能可通过改变淀粉蒸煮温度，尤其淀粉喷射蒸煮的温度，来改性。在特定的实施方案中，改进的淀粉和蒸煮温度调节方法可用于改进造纸配料的脱水和/或微粒的保留。当在造纸过程中该配料被脱水时，评价脱水速率。如果这一脱水速率是不令人满意的，则淀粉的蒸煮温度需要改进以改变脱水性质。
蒸煮温度的改进应该足以在造纸配料的脱水或第一遍通过保留率中提供改进。因此，温度的改变应该在足够大的程度上影响该造纸配料性能。典型地，温度的改进的量是大于1°F，和更典型地大于5°F。在特定的实施方案中，该量是5到10°F。在某些实施方案，该改进是至少大约10°F。该温度在某些实施方案中提高，和在其它实施方案中下降，这取决于在蒸煮温度的改进之前的脱水或排水性能。
在特殊的实施方案中，该造纸工艺包括以下步骤淀粉组分的蒸煮，纸配料的脱水，和通过改变淀粉组分的蒸煮温度来调节脱水速率。第一步，蒸煮该淀粉组分，包括在低于330°F的第一平均蒸煮温度下蒸煮一种具有在大约50cps到大约3000cps范围内的热糊粘度的阳离子化交联淀粉达第一段时间，该粘度是通过使用21号芯轴，在95℃和20rpm下以2.0％淀粉固体含量在Brookfield粘度计中测量的。该配料包括在含水淤浆中的纤维素纤维，一种包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的颗粒物的无机颗粒，和蒸煮过的淀粉组分。脱水的速率通过在与第一平均蒸煮温度相差至少10°F的第二温度下蒸煮淀粉组分来调节。在特定的实施方案中，第二平均蒸煮温度是200到250°F，和在其它实施方案中第二平均蒸煮温度是低于230°F。该微粒能够包括硅石，粘土，和它们的结合物。
附加的步骤能够包括颗粒保留率的测定和温度的改进以调节保留率。该淀粉组合物能够在喷射式蒸煮器中和在低于150磅/平方英寸的压力下蒸煮。在特定的实施方案中该淀粉以1-10％的固体含量被加入到喷射蒸煮器中。
由于配料性质的复杂性，有时候需要通过温度的反复变化和随后纸张性能的评价来确定温度的合适变化。这些变化包括从初始蒸煮温度进行调节以确定这些变化是否改进了保留，排水，或其它纸类产品。这些变化寻求通过调节蒸煮温度来优化淀粉性能，一直到性能达到优选的范围为止。
例如，当脱水性质是不令人满意的或显示劣化时，该温度能够最初被降低一特定温度(例如，5°F)。如果这一(温度)降低显示出了在脱水性能上的改进，则该温度能够维持在这一新温度下。另外地，该温度能够进一步降低以寻求在脱水量上甚至更大的改进。如果这一较低温度改进了脱水性质，则该温度能够维持在这一水平(或进一步降低以寻求甚至更大的改进)。然而，如果这一较低温度没有改进该脱水性质，则该温度能够重新升高回到先前的温度。
另外地，该温度能够在中途升高回到先前的温度。如果最初的降低没有导致脱水性质的改进，则该温度应该典型地升高到初始温度以上以确定该脱水性质是否改进。如果该脱水性质没有改进，则该温度应该回到初始温度或回到在初始温度和升高温度之中间的温度。如果该脱水性能确实得到改进，则该温度能够维持在升高的温度下或再次升高。以这一方式，淀粉进行蒸煮的温度用于改变所生产的淀粉的性能，从而定制这些性能以适合于造纸机的湿端性能。
蒸煮压力的改进在另一个实施方案中，该淀粉性能可通过改变淀粉蒸煮压力，尤其淀粉喷射蒸煮的压力，来改性。当在造纸过程中该配料被脱水时，评价脱水或保留率。如果该脱水或保留率是不令人满意的，则改进淀粉的蒸煮压力以改变该脱水或保留性能。蒸煮压力的改进应该足以在造纸配料的脱水或第一遍通过保留率中提供改进。
典型地，蒸煮压力的改进的量是大于至少1psi，和更典型地大于5psi。在特定的实施方案中，该量是10-60psi(磅/平方英寸)。在某些实施方案中，该改进是至少大约20psi。该压力在某些实施方案中提高，和在其它实施方案中下降，这取决于在蒸煮压力的改进之前的脱水或排水性能。
在特殊的实施方案中，该造纸工艺包括以下步骤淀粉组分的蒸煮，纸配料的脱水，和通过改变淀粉组分的蒸煮压力来调节脱水速率。第一步，蒸煮该淀粉组分，包括蒸煮一种具有在大约10cps到大约3000cps，更典型50cps到3000cps，和优选200cps到大约3000cps范围内的热糊粘度的阳离子化交联淀粉，该粘度是通过使用21号芯轴，在95℃下以大约2.0％淀粉固体含量在Brookfield粘度计中测量的。
该配料包括在含水淤浆中的纤维素纤维，一种包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的颗粒物的无机颗粒，和蒸煮过的淀粉组分。脱水的速率通过在与第一平均蒸煮压力相差至少10psi的第二压力下蒸煮淀粉组分来调节。
附加的步骤能够包括颗粒保留率的测定和压力的改进以调节保留率。在特定的实施方案中该淀粉以1-10％的固体含量被加入到喷射蒸煮器中。
由于配料性质的复杂性，有时候需要通过压力的反复变化和随后纸张性能的评价来确定压力的合适变化。这些变化包括从初始蒸煮压力进行调节以确定这些变化是否改进了保留，排水，或其它纸类产品。这些变化寻求通过调节蒸煮压力来优化淀粉性能，一直到性能达到优选的范围为止。
例如，当脱水或保留性质是不令人满意的或显示劣化时，则压力最初降低一特定的量(例如，10psi)。如果这一(压力)降低显示出了在脱水或保留性能上的改进，则该压力维持在这一新压力下。另外地，该压力能够进一步降低以寻求在脱水或保留率上甚至更大的改进。如果这一较低压力改进了脱水性质，则该压力能够维持在这一水平(或进一步降低以寻求甚至更大的改进)。然而，如果这一较低压力没有改进该脱水性质，则该压力能够重新升高回到先前的压力。另外地，该压力能够在中途升高回到先前的压力。
如果最初的降低没有导致脱水或保留性能的改进，则该压力应该典型地升高到初始psi以上以确定该脱水或保留性能是否改进。如果该性能没有改进，则该压力应该回到初始压力或回到在初始压力和升高压力之中间的压力。如果这些性能确实得到改进，则该压力能够维持在提高的压力或再次升高以寻求甚至更高的温度。以这一方式和类似的那些方式，淀粉进行蒸煮的压力用于改变所生产的淀粉的性能，从而定制这些性能以适合于造纸机的湿端性能。固体含量的改进在再一个实施方案中，该淀粉性能可通过改变淀粉蒸煮的淀粉固体含量，尤其淀粉喷射蒸煮的固体含量，来改性。在特定的实施方案中，改进的淀粉和方法可用于改进造纸配料的脱水和/或微粒的保留。当在造纸过程中该配料被脱水时，评价脱水速率。如果这一脱水速率是不令人满意的，则淀粉的固体含量需要改进以改变脱水性能。
固体含量的改进应该足以在造纸配料的脱水或第一遍通过保留率中提供改进。典型地，固体含量的改进的量是大于1％，和典型地大于2％。在特定的实施方案中，该量是3-10％。在某些实施方案中，该改进是至少大约5％。固体含量在某些实施方案中提高，和在其它实施方案中下降，这取决于在固体含量的改进之前的脱水或排水性能。
在特殊的实施方案中，该造纸工艺包括以下步骤淀粉组分的蒸煮，纸配料的脱水，和通过在喷射蒸煮器中蒸煮之前改变淀粉组分的固体含量来调节脱水速率。第一步，蒸煮该淀粉组分，包括在喷射蒸煮器中蒸煮阳离子化交联淀粉。在蒸煮之前淀粉组分具有在大约10cps到3000cps，更典型地50cps到3000cps，优选200cps到大约3000cps范围内的热糊粘度，该粘度是在Small Sample BrookfieldViscometer System(SSB)中，通过使用21号芯轴在95℃和20rpm下以2.0％淀粉固体含量来测量的，这是在10分钟后测得。该配料包括在含水淤浆中的纤维素纤维，一种包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的颗粒物的无机颗粒，和蒸煮过的淀粉组分。脱水的速率通过在与第一平均固体含量相差至少1％的第二固体含量下蒸煮淀粉组合物来调节。
在特定的实施方案中，第二平均固体含量是5-6％，和在其它实施方案中第二平均固体含量是低于5％。该微粒能够包括硅石，粘土，和它们的结合物。
附加的步骤能够包括颗粒保留率的测定和固体含量的改进以调节保留率。该淀粉组合物能够在喷射式蒸煮器中和在10-30磅/平方英寸的压力下蒸煮。在特定的实施方案中，淀粉在200到300°F的温度下蒸煮。
由于配料性质的复杂性，有时候需要通过固体含量的反复变化和随后纸张性能的评价来确定固体含量的合适变化。这些变化包括从初始固体含量进行调节以确定这些变化是否改进了保留，排水，或其它纸类产品。这些变化寻求通过调节固体含量来优化淀粉性能，一直到性能达到优选的范围为止。
例如，当脱水性能是不令人满意的或显示劣化时，固体含量能够最初降低一特定的量。如果这一(固体含量)降低显示出了在脱水性能上的改进，则固体含量能够维持在这一新固体含量下。另外地，该固体含量能够进一步降低以寻求在脱水量上甚至更大的改进。如果这一较低固体含量改进了脱水性质，则该固体含量能够维持在这一含量水平(或进一步降低以寻求甚至更大的改进)。然而，如果这一较低固体含量没有改进该脱水性质，则该固体含量能够重新升高回到先前的固体含量。另外地，该固体含量能够在中途升高回到先前的固体含量。
D.改进造纸性能在一些条件获得了造纸机的改进性能，如通过减少可运行性故障的次数，并使造纸厂家提高生产量。这一增加的产量能够是减少不符合性能技术指标的那些纸张的数量，改进纸淤浆的排水性，和提高机器速度的结果。
该淀粉进行蒸煮和被加入到湿端配料中，含含有纤维素纤维。该配料能够包括硬木，软木或硬木/软木纤维混合物。阳离子型交联淀粉的添加能够在造纸过程中的不同时间点进行，包括在湿纸浆转化成干燥纸幅或片之前。因此，例如，它能够加入到纤维中，而后者处于料箱，打浆机，水力碎浆机或纸料柜中。该配料能够包括添加剂，染料，和/或填料如粘土，CaCO3，明矾等等。本发明理想地允许使用高水平(量)的淀粉和填料以代替更昂贵的纤维素纤维，结果是在较高的微粒和填料的保留率下在较短的加工时间中用价格比较低廉的原料生产出具有增强的强度的纸。
E.实施例制备纸料，以蒸煮性能上的变化为基础，来对比当使用交联的和非交联的阳离子型马齿种玉米淀粉时在保留、排水和粘度上的变化的效果。对于每一类型的淀粉，每干吨的木纤维可添加三十磅淀粉。该淀粉在192到265°F的温度下蒸煮，和固体含量维持在1.28到1.39％。通过使用LA910 Horiba型Particle Size Distribution分析器测量淀粉颗粒的平均粒度，和通过使用Dynamic Drainage Jarprocedure来测量排水性能。制备细节概括在下面的表1和表2中。
表1-交联的阳离子淀粉
*蒸煮淀粉的Brookfield粘度是在150°F下，在表1中示出的固体％下，使用#21芯轴来测量的。表2 非交联的阳离子淀粉
*蒸煮淀粉的Brookfield粘度是在150°F下，在表1中示出的固体％下，使用#21芯轴来测量的。
两种类型的淀粉在造纸性能上的差异被描绘在图4，5，和6中，它们显示了在各种喷射蒸煮温度下处理过的交联阳离子型马齿种玉米淀粉和非交联阳离子型马齿种玉米淀粉的排水、粘度和粒度分布。如在图4中所说明的，该交联的阳离子淀粉显示了大约200到260°F的动态排水，其中峰在大约230°F处。相反，该非交联的阳离子淀粉在这一实施例中显示了较单调平坦的的排水性(在比交联阳离子淀粉的水平低的那一水平下)。
此外，如图5中所说明，交联阳离子淀粉在宽的温度范围中显示了粘度变化。在图5中示出的实施例中，该交联的阳离子淀粉在低温度下具有最高的粘度和在升高的温度下具有最低的粘度。该温度范围可以从大约200°F延伸到265°F。在相同的温度范围内，非-联的阳离子淀粉没有显示出粘度的显著变化。
图6说明了当使用交联阳离子淀粉时在延伸的喷射蒸煮范围中粒度分布的变化，与非交联的阳离子淀粉对比。该粒度分布在低喷射蒸煮温度下是最大的并随着温度的升高而下降。通常，该非交联淀粉在同一温度范围中显示了在粒度分布上的低得多的变化。
这些实施例说明了在一定范围的蒸煮温度下淀粉性能的变化。尤其，它们说明了以蒸煮温度的变化为基础，在排水和保留性能上的变化。
权利要求
1.造纸工艺，包括以下步骤a)提供一种包括具有在大约10cps到大约3000cps的测量范围内的热糊粘度的阳离子化交联淀粉的淀粉组分，该粘度是在布氏粘度计中在大约95℃下通过使用21号芯轴在20rpm下以2％的固体含量测得；b)将第一部分的淀粉组分蒸煮以产生蒸煮的淀粉组分，该蒸煮包括在低于330°F的第一平均蒸煮温度下蒸煮淀粉组分达到第一段时间；c)将纸配料脱水，该纸配料包括(i)在含水淤浆中的纤维素纤维，(ii)包括至少50wt％的具有不大于1微米的平均粒度的颗粒的无机颗粒，和(iii)蒸煮过的淀粉组分；和d)通过在与第一平均蒸煮温度相差至少10°F的第二平均蒸煮温度下蒸煮第二部分的淀粉组分来调节脱水速率。
2.根据权利要求1的工艺，其中第二平均蒸煮温度是200到250°F。
3.根据权利要求1的工艺，其中第二平均蒸煮温度是低于230°F。
4.根据权利要求1的工艺，其中该微粒是选自硅石，粘土，和它们的结合物。
5.根据权利要求1的工艺，进一步包括颗粒保留率的测定和温度的改进以调节保留性能。
6.根据权利要求1的工艺，其中该淀粉组合物是在喷射式蒸煮器中进行蒸煮。
7.根据权利要求1的工艺，其中阳离子化交联淀粉包括致密的玉米淀粉。
8.根据权利要求6的工艺，其中该淀粉是在喷射式蒸煮器中在低于100磅/平方英寸的压力下进行蒸煮。
9.根据权利要求1的工艺，其中该淀粉以1-10％的固体含量被加入到喷射式蒸煮器中。
10.根据权利要求1的工艺制得的纸类产品。
11.造纸工艺，包括以下步骤a)提供一种包括具有在大约10cps到大约3000cps的范围内的热糊粘度的阳离子化交联淀粉的淀粉组分，该粘度是在布氏粘度计中在大约95℃下通过使用21号芯轴在20rpm下以2％的固体含量测得；b)将第一部分的淀粉组分蒸煮以产生蒸煮的淀粉组分，该蒸煮包括在低于330°F的第一平均蒸煮温度下蒸煮淀粉组分达到第一段时间；c)将纸配料脱水，该纸配料包括(i)在含水淤浆中的纤维素纤维，(ii)包括至少50wt％的具有不大于1微米的平均粒度的颗粒的无机颗粒，和(iii)蒸煮过的淀粉组分；和d)通过在与第一平均蒸煮温度相差至少10°F的第二平均蒸煮温度下蒸煮第二部分的淀粉组合物来调节在脱水过程中的第一遍通过保留率。
12.根据权利要求11的工艺，其中第一平均蒸煮温度是200到250°F。
13.根据权利要求11的工艺，其中第一平均蒸煮温度是低于230°F。
14.根据权利要求11的工艺，其中该微粒是选自硅石，粘土，和它们的结合物。
15.根据权利要求11的工艺，进一步包括颗粒保留率的测定和温度的改进以调节保留性能。
16.根据权利要求11的工艺，其中该淀粉组合物是在喷射式蒸煮器中进行蒸煮。
17.根据权利要求16的工艺，其中该淀粉是在喷射式蒸煮器中在5到30磅/平方英寸的压力下进行蒸煮。
18.根据权利要求16的工艺，其中该淀粉以1-3％的固体含量被加入到喷射式蒸煮器中。
19.根据权利要求11的工艺干涉得的纸类产品。
全文摘要
公开了包括阳离子交联淀粉的淀粉组合物，和在造纸中使用这些淀粉的方法。尤其公开了阳离子化交联淀粉和该淀粉在造纸机的湿端系统中的使用。本发明的淀粉组合物特别适合于为特定的湿端系统来定制，和允许改性，以响应在造纸机器的湿端中的变化。
文档编号D21H17/68GK1466642SQ01816326
公开日2004年1月7日 申请日期2001年4月20日 优先权日2000年8月10日
发明者K·R·安德生, D·E·加里, K R 安德生, 加里 申请人:卡吉尔公司